常规炼焦工艺与热回收炼焦工艺的比较

世界金属导报/2011年/7月/5日/第010版
原料炼铁
常规炼焦工艺与热回收炼焦工艺的比较
林立恒
常规炼焦工艺和热回收炼焦工艺都能生产优质焦炭及达到能量平衡，同时可保证低生产成本。

为了选择更适合的炼焦工艺，美国哈奇公司对一些炼焦项目进行了可行性研究，并对常规炼焦工艺及热回收炼焦工艺进行了比较研究。

研究结果是炼焦工艺的选择必需就事论事，因为决定的因素很多，其中包括可用的土地及能源、钢厂总体布局、环境及设备投资等各个方面。

两种炼焦工艺的总能量平衡存在着很大差别，热回收炼焦工艺可以大量发电，而常规炼焦工艺能产出钢铁冶炼用的煤气。

1 炼焦工艺概述
冶金焦生产工艺有三种类型：常规炼焦，热回收炼焦及蜂窝焦炼焦。

热回收炼焦工艺是蜂窝焦生产工艺的革新。

蜂窝焦生产工艺绝大多数已被淘汰。

下面重点比较常规炼焦工艺及热回收炼焦工艺。

炼焦选用的煤经过筛分破碎至3mm以下，根据煤的岩相组分混配在一起，用于生产优质焦炭。

在选煤中应选用成本低而炼焦效果高的煤。

混配好的煤料装入焦炉里，大约1100℃或更高的温度下使煤料分解干馏变成焦炭。

一个炼焦周期结束后，从炉内推出热焦，使之落入熄焦车里，以便送往熄焦塔，在塔内使焦炭冷却及稳定。

用水熄焦称为湿熄焦，也可用氮气熄焦，这种气体熄焦称为干熄焦。

熄焦后的成品焦供高炉使用。

常规炼焦是因炼焦当中将释放出的各种挥发性物质收集起来精炼成化学副产品而得名。

常规炼焦是在碳化室内，在无氧气氛中进行。

碳化室内保持正压，以防外部空气窜入，挥发性物质被燃烧。

现代焦炉高度通常为4-8m。

对于双联火道常规炼焦炉，保证整个炉组温度高而分布均匀至关重要。

1.1 常规炼焦工艺
常规炼焦时主要污染物排放源生成于推焦过程。

推焦时炉门打开，红焦直接暴露在大气中。

焦炉碳化室高度越高，焦炉生产的焦炭就越多，因而能以较少的装煤及推焦次数以及较少的污染物排放量生产出更多的焦炭。

常规炼焦中放出来的各种挥发性物质进入总集气管，然后送到副产品回收装置。

荒煤气经喷洒液及初冷器，焦油冷凝。

接着静电沉淀器脱除尚存的焦油。

根据市场需求，对煤气作更深层次的处理，生产出另外一些副产品，包括萘、硫酸铵及硫等。

被称为焦炉煤气的净煤气贮存在煤气柜中，予以升压，供全厂用作加热燃料及还原气体。

1.2 热回收炼焦工艺
在热回收炼焦工艺中，各种挥发性物质都在焦炉内完全燃尽，以便保证炼焦所需热量。

热回收炼焦采用卧式焦炉。

炉门留有空气入口，用于引进一次燃烧空气，使挥发性物质在碳化室内发生局部燃烧。

二次燃烧空气从炉底烟道引入。

炉底烟道呈蛇形走势，位于煤气之下。

这种烟道布置型式及气流控制模式能保证煤层顶部及底部煤料达到均衡结焦。

由于炉内的温度极高，所以各种有害碳氢化合物及副产品都在碳化室内全部燃尽。

高温气体通过废气通道送至热回收蒸汽发生器，生产高压蒸汽，供加热及发电用。

冷却后的废气送入脱硫装置进行脱硫，然后排入大气。

2 案例研究
根据钢厂布局及原燃料来源的不同，提供两种情景进行比较研究。

情景研究的内容包括：
◆推导全厂总能量平衡；
◆确定每种工艺的基建费用；
◆推算每种工艺的生产成本；
◆通过流动资金分析确定哪一种工艺在项目20年使用期限内投资回报最多；
◆根据能耗强度以及SO2和其它有害物排放量计算每种工艺的环境影响。

2.1 情景1
选择哈奇公司为南非偏远地区拟建一座新炼铁厂而作的炼焦厂作为情景1进行比较研究。

这家综合工厂包括烧结厂、球团厂、炼焦厂、高炉及发电厂，炼焦厂每年为高炉提供冶金焦（25-80mm）及小块焦（15-25mm）共计83万t，小于15mm的碎焦用作烧结厂及球团厂的固体燃料。

生产的生铁及铁矿石球团外销。

为了进行比较研究，重点分析常规炼焦工艺及热回收炼焦工艺的全厂能量平衡。

这样就可计算每种炼焦工艺的能量需求及评价其它各种设备之间的相互配合效果。

为进行分析比较，特做以下假设：
◆此生铁冶炼厂能生产其所需的全部电力，不必从厂外电网购买电力；
◆高炉及常规焦炉所产生的煤气不用于生铁冶炼而是用于生产蒸汽及发电；
◆该厂卖给当地电网的多余电力，可获得额外收入；
◆当需要为高炉提供高热值燃料时，使用的是重质燃料油，如果不能用副产煤气达到能量平衡，也是用燃料油来平衡电力缺口；
◆厂区无天然气可用。

此研究中考虑三种燃料来源：
①高炉煤气
它来自本厂高炉，煤气成分大致为：20%CO，20%CO2，5%H2及55%N2。

由于惰性气体百分率很高，所以此煤气热值较低，约为3.5MJ/Nm3。

高炉煤气用于自身热风炉加热，如有可能，将剩余高炉煤气外销给其它厂家。

高炉煤气热值偏低，因而不适合用于烧结厂及球团厂。

在电厂，必需使用燃油来弥补高炉煤气的这种不足。

②焦炉煤气
它是常规炼焦过程中产生的主要副产品。

焦炉煤气的主要成分为：50%H2，25%CO，20%CH4，5%CO2。

焦炉煤气热值极高达18MJ/Nm3，因而可用于钢厂各种加热作业，其中包括焦炉自身的加热。

③燃油
燃油是在其它煤气完全耗尽或需用高热值燃料及无焦炉煤气可用时的补充燃料。

燃油热值为40MJ/kg。

但其硫分相当高，燃烧时会排放SO2。

生产成本是根据全厂物料及能量平衡以及中国设备供货商所提供的技术资料计算的。

计算所用各项单价是由买方提供或用一地区可比价确定的。

常规炼焦及热回收炼焦的基建投资是根据中国设备供货商的报价、哈奇计算的工程费及间接费计算的。

对每种工艺进行了简明财务分析，用20年期的净现值说明了分析结果，其中折现因数为10%。

为计算营业收入采用产品的售价：生铁为300美元/t，铁矿石球团为115美元/t。

项目工期定为三年。

环境影响是根据哈奇的4QA“可持续发展”方法计算的。

用此方法可从量及质两方面加权计算不同环境因素作出评价。

各种环境因素包括：
①能耗强度是衡量净能量利用率的计算因素；
②二氧化硫排放量是按照燃烧的燃油量计算出的SO2量。

由于安装了脱硫装置，热回收炼焦工艺发电厂排放的SO2及常规炼焦工艺焦炉煤气燃烧产生的SO2极少。

③从质上对萘及其它芳香烃等其它污染物作了说明。

④外销电力是指可出售给当地电网的那部分电力。

常规炼焦工艺使用煤气的生产环节有烧结厂，球团厂，炼焦厂及高炉铁厂。

发电厂需要生产足够的电力满足全厂的需求及生产高炉鼓风机所需的蒸汽。

在这种情况下不向当地电网出售电力。

热回收炼焦工艺与常规炼焦工艺的根本区别是将热回收焦炉产生的废热气流送至热回收蒸汽发生器生产高压蒸汽。

因为热回收焦炉是靠自身加热，所以全部剩余高炉煤气都用在发电厂上。

值得一提的是烧结厂、球团厂及发电厂所需的燃油总用量要比常规炼焦工艺少约40万GJ/a。

但热回收炼焦工艺有大量剩余电力卖给当地电网。

上述两种炼焦工艺的最大差别在于热回收炼焦炉所产生的废气中的显热被回收利用。

这是常规炼焦工艺无法做到的。

因为常规炼焦工艺必需将煤气冷却下来才能析出焦油和萘等；其产生的焦炉煤气虽然热值很高，但显热尚无法很好地回收利用。

全炼铁厂的基建投资预算列于表1。

表1中将炼焦厂基建投资分小项列出，以说明两种炼焦工艺的差别。

热回收炼焦厂基建投资费用较高，原因是这项费用中包括了废热发电厂及烟气脱硫设施。

该电厂管网含为高炉风机提供蒸汽及发电的煤气/燃油联合发电机组管路。

当两座电厂并网时将会从根本上降低热回收炼焦厂基建费，但此项目现尚未作进一步研究。

两种工艺生产成本的比较如表2所列。

其中主要差别是副产品出售、电力出售及燃油费。

操作及维护用工方面，热回收炼焦工艺用工较少，主要是因为它没有生产副产品所需的化工设施。

以项目20年使用期限内的流动资金为主要考核内容对两种炼焦工艺作了评价，详见表3。

表3表明在20年使用期限内（包括3年施工及试运行期）热回收炼焦工艺的净现值（NPV）及内部利润率（IRR）均高于常规炼焦工艺。

因此，热回收炼焦工艺虽然基建费较高，但由于使用费用较低，故20年使用期限中的投资利润高。

为确定哪些参数对项目NPV的影响大，进行了企业敏感性分析，着重对比了对基建费及电价变化的敏感性，结果表明，在任何情况下热回收炼焦工艺都不受这两项费用变化的影响，因而其NPV最高。

在环境影响方面，用哈奇的4QA方法进行了环境对比。

结果是，在情景1条件下，热回收炼焦工艺对环境危害小，环境成本低。

情景1表明热回收炼焦工艺优越，因为该工艺在无天然气及不能由当地电网供电条件下，自已发电可以明显降低生产成本，而且整个使用年限中投资回报较高。

2.2 情景2
选择一家在新场地建厂的钢厂做比较研究，该厂也建在南非，但是位于发达地区。

这家综合工厂包含烧结厂、炼焦厂、高炉铁厂、氧气转炉钢厂、薄板坯连铸厂、热轧带钢厂及发电厂。

此情景认定可从当地电网获得电力且有天然气资源。

炼焦厂每年需生产41万t高炉用焦炭及烧结厂用固体燃料的碎焦（小于15mm），该厂年产带卷100万t。

研究方法与情景1相同，情景2的假设条件如下：
◆高炉及常规焦炉发生的副产品煤气不用于钢铁生产，而是用于生产蒸汽及发电；
◆生产的剩余电力外售给当地电网，可获得额外收入；
◆全厂区甚至周边形成的电力需求均由当地电网保证供给；
◆当高炉需要高热值燃料作补充时，使用天然气补充。

与情景1相同，这里所用的生产成本及基建投资数据也是以中国设备供货商提供的两种炼焦技术资料为基础。

工程费用及间接费用是由哈奇计算的。

常规炼焦工艺的发电厂只使用废气，但全厂需要从当地电网购买大量电力，不需要使用天然气。

热回收炼焦工艺用天然气作烧结厂、氧气转炉、高炉及轧钢均热炉的高热值燃料。

两种炼焦工艺的主要区别是：热回收炼焦工艺无需从当地电网输入电力，而需大量使用天然气。

相反，常
规炼焦工艺无需使用天然气，而需从外部购买电力。

两种工艺的基建费用明细列于表4，表4表明热回收炼焦工艺的基建费用较高，其原因是热回收炼焦工艺的发电厂规模较大。

表5为两种工艺生产成本对比，两种工艺的主要差别是：一个需购入电力，另一个需购入天然气。

比较结果表明，两种工艺优劣相差无几，企业对电力及天然气价格的敏感性会成为影响全厂的头等重要因素。

表6为情景2下两种工艺的财务分析结果。

情景2表明常规炼焦基建投资较低且无需额外补充燃料。

所以常规炼焦工艺比热回收炼焦具有明显的经济优势。

分析表明，在电价及天然气价格方面隐藏着巨大的立项风险。

3 结语
常规炼焦工艺及热回收炼焦工艺都能够生产出满足高炉要求的高质量焦炭。

客户选择何种类型炼焦厂，应当根据投资回报以及炼焦厂在整个钢厂中所起作用和外部能源可靠利用条件来决定。

在情景1的情况下，由于缺少当地电网可供的电力，并且不需要发电用的高价燃油，所以宜选用热回收炼焦工艺。

在情景2的条件下，如果电力及天然气都能以低价购入，则常规炼焦工艺是优先选择的工艺。

企业敏感性分析表明，一旦电价及天然气上涨则也不适宜选择常规炼焦工艺。

从环境角度来看，热回收炼焦工艺优于常规炼焦，因为前者环境危害很小。

热回收炼焦采用负压运行，烧尽各种挥发性物质，因而很少排放有毒性物质，其煤层铺放形式也意味着很少有颗粒物排放。

基于这些条件，美国环保局认定热回收炼焦工艺属于“可实现最大限度控制技术（MACT）”。

而常规炼焦工艺现已有一些改进技术，例如焦炉压力单独控制及稳定化熄焦等。

这些技术措施能将颗粒物及毒性物质的排放减至最低。